Melu, liiallinen tärinä ja suhteellinen tehottomuus ovat mäntäpohjaisten polttomoottoreiden (ICE) haittapuolia, jotka ovat nykypäivän ruohonleikkureiden ja puutarhakoneiden, kuten lehtipuhaltimien ja trimmerien, voimanlähteitä.
Mutta nyt MIT:n startup-yritys LiquidPiston on kehittänyt pyörivän polttomoottorin, joka on sen mukaan huomattavasti pienempi, kevyempi ja hiljaisempi sekä 20 prosenttia polttoainetehokkaampi kuin monissa tällaisissa pienkoneissa käytetyt polttomoottorit.
”Jos ajattelet käsikäyttöisiä työkaluja – esimerkiksi moottorisahaa tai pensasaitaleikkuria – noin puolen tunnin kuluttua et halua käyttää sitä enää, koska kätesi tuntuu siltä kuin se putoaisi irti”, sanoo Alexander Shkolnik, PhD ’10, LiquidPistonin toimitusjohtaja ja moottorin toinen keksijä. ”Moottorissamme ei ole lainkaan tärinää, ja se on paljon hiljaisempi. Sen pitäisi olla paljon miellyttävämpi käyttökokemus kaikin puolin.”
LiquidPistonin 70 kuutiosenttimetrin moottori, X Mini, tuottaa noin 3,5 hevosvoimaa 10 000 kierroksen kierrosluvulla. 4 kiloa painava moottori on myös noin 30 prosenttia pienempi kuin nelitahtiset, 50 kuutiosenttimetrin mäntämoottorimoottorit, jotka sen on tarkoitus korvata. Täysin valmiina X Mini voisi Shkolnikin mukaan tuottaa noin 5 hevosvoimaa 15 000 kierroksen minuutissa ja painaa 3 kiloa.
Moottori toimii uudella korkean hyötysuhteen hybridisyklillä (HEHC, High Efficiency Hybrid Cycle) – jonka Shkolnik ja hänen fyysikko isänsä Nikolay ovat kehittäneet – ja jolla saavutetaan palaminen vakiotilavuudella ja ylipaisumalla suuremman energiamäärän saamiseksi. Moottorissa on vain kaksi liikkuvaa osaa, roottori ja akseli, eikä siinä ole venttiilejä – joita käytetään yleisesti muissa nelitahtisissa polttomoottoreissa polttoaineen saannin säätöön – ja sen melu-, tärinä- ja karheusominaisuudet ovat Shkolnikin mukaan alhaisemmat.
Alustavat sovellukset ovat käsikäyttöisiä ruohonleikkuu- ja puutarhalaitteita, Shkolnik sanoo. Moottori voidaan kuitenkin skaalata ja modifioida muihin sovelluksiin, kuten mopoihin, droneihin, merenkulun voimalaitteisiin, robotiikkaan, kantaman pidentäjiin sekä veneiden, lentokoneiden ja muiden ajoneuvojen apuvoimalaitteisiin. Yritys on myös osoittanut, että moottorin korkean hyötysuhteen dieselversiot, kuten 70-hevosvoimainen X1 ja 40-hevosvoimainen X2, soveltuvat generaattoreihin ja muihin sovelluksiin. Yhtiö toivoo voivansa kehittää X Mini -moottorin pieniä dieselversioita sotilassovelluksiin.
”Jos tarkastellaan 3 kilowatin sotilasgeneraattoria, se on 270-kiloinen gorilla, jonka liikuttamiseen tarvitaan viisi ihmistä”, Shkolnik sanoo. ”Voit kuvitella, että jos voimme tehdä siitä 15-kiloisen laitteen, se on melko vallankumouksellista heidän kannaltaan.”
Shkolnik esitteli sekä X2:sta että X Ministä esitelmän 19. marraskuuta Society of Automotive Engineersin vuoden 2014 pienmoottoriteknologiakonferenssissa ja -näyttelyssä Italiassa.
Käänteinen Wankel
X Mini on pohjimmiltaan muotoilultaan ja tehokkuudeltaan parannus pienikokoisesta Wankel-rotaatiomoottorista, joka keksittiin 1950-luvulla ja jota käytetään nykyään urheiluautoissa, veneissä ja joissakin lentokoneissa.
Wankelissa pyöristetty kolmion muotoinen pyöreä roottori pyörii eksentrisellä kiertoradalla soikeassa kammiossa, ja jokainen pyörähdys synnyttää kolme tehoiskua, joilla moottori tuottaa voimaa. X Mini -moottorissa soikea roottori pyörii modifioidun, pyöristetyn kolmion muotoisen kotelon sisällä.
”Olemme kääntäneet kaiken perinteisen pyörivän moottorin ylösalaisin, ja nyt pystymme toteuttamaan tämän uuden termodynaamisen syklin ja ratkaisemaan kaikki perinteistä Wankel-moottoria vaivanneet ongelmat” pienmoottorisovelluksissa, Shkolnik sanoo.
Wankel-moottorissa käytetään esimerkiksi pitkää palotilaa (kuin ohut kuunsirppi), mikä vaikuttaa huonoon polttoainetalouteen – koska liekki ei pääse kammion takareunoille ja sammuu kammion suuren pinta-alan vuoksi. X Minin polttokammio on pyöreämpi ja paksumpi, joten liekki palaa pienemmällä pinta-alalla.
X Minissä ilman ja polttoaineen sisään- ja ulospuhallus tapahtuu roottorissa olevien kahden aukon kautta, jotka avautuvat tai sulkeutuvat roottorin pyöriessä, jolloin venttiilejä ei tarvita. Näiden aukkojen epäsymmetrinen sijainti viivästyttää hieman pakokaasuprosessia paisunnan aikana. Tämä mahdollistaa HEHC:n ylipaisuntaprosessin – joka on peräisin joissakin hybridiautoissa käytetystä Atkinsonin termodynaamisesta syklistä – jossa kaasua paisutetaan kammiossa, kunnes paine poistuu, jolloin moottorilla on enemmän aikaa ottaa energiaa polttoaineesta. Tämä rakenne mahdollistaa myös HEHC:n ”vakiotilavuuspolton” – joka on peräisin Otto-termodynaamisesta syklistä, jota käytetään kipinäsytytteisissä mäntämoottoreissa – jossa puristettua kaasua pidetään kammiossa pidempään, jolloin ilma ja polttoaine sekoittuvat ja syttyvät täydellisesti ennen kuin ne laajenevat, jolloin paisuntapaineet kasvavat ja hyötysuhde paranee.
”Polttoaineen palaminen moottorissa kestää kauan”, Shkolnik sanoo. ”Useimmissa moottoreissa polttoaineen palamiseen mennessä kaasut laajenevat ja palamisprosessin hyötysuhde heikkenee. Me jatkamme palamista, kun roottori on kammion yläosassa, ja pakotamme palamisen näissä olosuhteissa. Se on paljon tehokkaampaa sillä tavalla.”
Lisäksi X Minissä on siirretty kärkitiivisteet, mikä vähentää öljynkulutusta. Wankeleissa apex-tiivisteet liittyvät kolmionmuotoisen roottorin reunoihin, joissa ne liukuvat ja liikkuvat. Niiden voitelu edellyttää, että ilma-polttoaineseokseen syötetään suuria määriä öljyä, joka palaa ja vuotaa, mikä lisää päästöjä ja öljynkulutusta. X Minissä nämä tiivisteet sijaitsevat kuitenkin kolmion muotoisessa kotelossa, joka pysyy paikallaan. ”Nyt voimme syöttää pieniä määriä öljyä paikallaan pysyvän kotelon kautta, juuri sen verran öljyä kuin tiiviste tarvitsee, etkä polta öljyä etkä menetä öljyä ympäristöön”, Shkolnik sanoo.
LiquidPistonin ”tiekartta”
Kiinnostus robotiikkaan ja tekoälyyn johti Shkolnikin MIT:hen sähkötekniikan ja tietotekniikan tohtoriopiskelijaksi vuonna 2003. Samana vuonna Nikolay Shkolnik jätti ensimmäisen HEHC-patenttinsa, ja hänen poikansa sai tietää MIT:n 50 000 dollarin yrittäjyyskilpailusta (nykyään 100 000 dollaria) teknologiayrittäjyyteen keskittyneellä kurssilla. He lyöttäytyivät yhteen MIT:n Sloan School of Managementin opiskelijoiden kanssa laatiakseen liiketoimintasuunnitelman ja esitelläkseen HEHC-moottorin vuoden 2004 kilpailussa, jossa he voittivat 10 000 dollarin palkinnon ja käynnistivät LiquidPistonin.
Kilpailu itsessään osoittautui hyödylliseksi isän ja pojan yrittäjille, joilla ei ollut tuossa vaiheessa minkäänlaista kokemusta yritysten perustamisesta. Rakentaessaan yksityiskohtaista liiketoimintasuunnitelmaa ja oppiessaan selittämään teknologiaansa sijoittajille, ”se todella näytti meille tiekartan siitä, mitä tehdä, ja meidän oli pakko miettiä paljon asioita, joita kohtaisimme”, Shkolnik sanoo.
Kuusi seuraavaa vuotta Shkolnik auttoi isäänsä kehittämään LiquidPiston-moottoria perheen autotallissa käyttäen taitojaan, joita hän hioi MIT:n robottien liikkumisryhmässä (Robot Locomotion Group, MIT:ssä robottien liikkumisryhmässä), jonka johtajana toimi sähkötekniikan ja tietotekniikan apulaisprofessori Russell Tedrake. ”Siinä oli paljon optimointia, ohjausta, simulointia ja mallintamista”, hän sanoo. ”Kaikkia näitä samoja tekniikoita voidaan soveltaa moottorin suunnitteluun.”
Shkolnik katsoo, että suuri osa LiquidPistonin kehityksestä on MIT:n laajan yhteisön ansiota. $50K:n aikana pääomasijoittaja Bill Frezza ’76, SM ’78 mentoroi tiimiä; hänen yrityksestään tuli sitten varhainen sijoittaja. MIT Sloanin tiimin jäsenet Brian Roughan MBA ’05, Jennifer Andrews Burke MBA ’05 ja Vikram Sahney MBA ’05 tekivät markkinatutkimusta, kirjoittivat liiketoimintasuunnitelman, työskentelivät liiketoiminnan kehittämisen parissa ja esittelivät yritystä sijoittajille.
Mentorit MIT:n Venture Mentoring Service (VMS) – mukaan lukien edesmennyt Dave Staelin, joka perusti Venture Mentoring Service (VMS):n – ohjasivat myös LiquidPistonin kasvua antamalla neuvoja tuotekehitykseen, palkkaamiseen ja pääomasijoitusten etsimiseen. (Tähän mennessä yritys on saanut rahoitusta yli 15 miljoonaa dollaria.)
Vuonna 2006 LiquidPiston sai kymmenien moottorivaihtoehtojen analysoinnin jälkeen 70 000 dollarin sotilasavustuksen ensimmäisen dieselmoottoriprototyypin valmistamiseen. (Nykyään LiquidPiston on analysoinut ja patentoinut noin 60 erilaista moottorimallia, jotka ilmentävät HEHC:tä.)
Käyttölaitteiden valmistajilta saadun ylivoimaisen palautteen vuoksi – jotka vaativat kevyempiä, hiljaisempia ja tärinättömiä moottoreita – LiquidPiston on hiljattain kehittänyt ja julkaissut viimeisen puolen vuoden aikana X Minin. Yritys on nyt saanut kiinnostusta potentiaalisilta asiakkailta, ja se puhuu parhaillaan moottorivalmistajien kanssa, jotka ovat kiinnostuneita X Mini -teknologian lisensoinnista.
”Nykyisten moottorisovellusten parantamisen lisäksi”, Shkolnik selittää, ”X Mini voi mahdollistaa täysin uusia sovelluksia, jotka eivät tällä hetkellä ole mahdollisia nykyisellä moottori- tai akkuteknologialla.”
Ensi vuoden alkupuolella yritys suunnittelee järjestävänsä kilpailua, jolla se pyrkii keräämään yleisöltä ideoita X Minin uusista käyttökohteista. ”Haluamme saada luovan mehun virtaamaan ja avautua laajemmalle yhteisölle, jotta nähdään, löytyykö jotain kiinnostavaa”, Shkolnik sanoo.